JP4468153B2

JP4468153B2 - テラヘルツイメージング装置およびテラヘルツイメージング方法

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Publication number: JP4468153B2
Application number: JP2004369572A
Authority: JP
Inventors: 洋道赤堀; 護宇佐見
Original assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp; Nikon Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2006177716A

Description

本発明は、テラヘルツイメージング装置およびテラヘルツイメージング方法に関する。

テラヘルツ光を使用した各種測定装置では、概ね０．０１×１０^１２〜１００×１０^１２ヘルツ（０．０１〜１００テラヘルツ）の周波数領域のパルス光を試料に照射して、試料からの透過光または反射光をテラヘルツ光の電場強度として検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度などを測定することができる。ビーム断面積の大きなテラヘルツ光を試料に一括照射すると、その照射領域のテラヘルツ光の電場強度分布に由来する画像を取得することができる。特許文献上に開示されているものは、２次元電気光学サンプリングと呼ばれる手法により試料の画像を生成している。この手法は、試料からの透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光をＺｎＴｅ結晶などの電気光学結晶上の所定領域に結像させるとともに、その所定領域にプローブ光ビームを照射し、透過または反射テラヘルツ光によってプローブ光ビームが変調される度合いを読み出すものである（例えば、特許文献１参照）。

特表２０００−５１４５４９号公報（第１０項、第１０頁、図１５）

２次元電気光学サンプリングには、テラヘルツ光の電場強度に検出感度が高いＺｎＴｅ結晶が最もよく用いられる。しかし、ＺｎＴｅ結晶のテラヘルツ光検出特性は、空間的に均一ではない。すなわち、結晶中には、テラヘルツ光の検出感度が異なる部分、テラヘルツ光の検出感度が著しく低い部分、或いは検出不能な部分が存在する。従って、試料の特性を正確に反映する画像が得られないという問題がある。

請求項１に係る発明のテラヘルツイメージング装置は、テラヘルツ光を試料へ照射するテラヘルツ光照射手段と、試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される電気光学結晶と、電気光学結晶を移動させる移動機構と、電気光学結晶の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域にプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、電気光学結晶から射出されるプローブ光を撮像する撮像手段と、移動機構により、電気光学結晶上の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域を変え、その異なる領域を用いて撮像されたプローブ光の複数の画像から試料の透過テラヘルツ画像または反射テラヘルツ画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とする。
請求項２に係る発明のテラヘルツイメージング装置は、テラヘルツ光を試料へ照射するテラヘルツ光照射手段と、試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される電気光学結晶と、電気光学結晶を移動させる移動機構と、電気光学結晶の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域にプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、移動機構により移動中の電気光学結晶から射出されるプローブ光を所定時間蓄積して撮像する撮像手段とを備えることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２のテラヘルツイメージング装置において、レーザ光源からのレーザ光をテラヘルツ光照射手段へ導く光とプローブ光照射手段へ導く光とに分岐する分岐光学素子を有することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかのテラヘルツイメージング装置において、移動機構は、電気光学結晶を透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行に並進移動させることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれかのテラヘルツイメージング装置において、移動機構は、電気光学結晶を透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行に所定の振動数と振幅で振動させることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１〜３のいずれかのテラヘルツイメージング装置において、移動機構は、電気光学結晶を透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行な面内で回転移動させることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項６のテラヘルツイメージング装置において、撮像手段は、電気光学結晶の結晶軸に基づいて所定強度以上のプローブ光が撮像されるように決定された位置で、撮像することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項６のテラヘルツイメージング装置において、移動機構は、電気光学結晶を回転揺動させ、撮像手段は、回転揺動する電気光学結晶からのプローブ光を所定時間蓄積して撮像することを特徴とする。
請求項９に係る発明のテラヘルツイメージング方法は、テラヘルツパルス光を試料へ照射する工程と、試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像される電気光学結晶上の領域へプローブ光を照射する工程と、電気光学結晶上の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像する領域を移動する移動工程と、移動工程により移動された電気光学結晶の異なる領域からのプローブ光を２次元的に撮像する撮像工程と、撮像工程で撮像した異なる領域からの複数の画像から試料のテラヘルツ画像を生成する画像生成工程とを有することを特徴とする。
請求項１０に係る発明のテラヘルツイメージング方法は、テラヘルツパルス光を試料へ照射する工程と、試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像される電気光学結晶上の領域へプローブ光を照射する工程と、電気光学結晶上の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像する領域を移動する移動工程と、移動工程により移動中の電気光学結晶からのプローブ光を２次元的に撮像する撮像工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電気光学結晶の検出感度の低い部分、あるいは検出不能な欠陥部分などに起因する測定結果に悪影響を及ぼす画像情報を低減して試料の正確な画像を取得することができる。

以下、本発明によるテラヘルツイメージング装置について図１〜５を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置を模式的に示す全体構成図である。図２は、図１に示すテラヘルツイメージング装置の要部を示す斜視図である。図１，２では、同じ構成部品には同一符号を付し、ＸＹＺ直交座標で方向を表わす。

図１において、テラヘルツイメージング装置１００は、レーザパルス光Ｌ１を放射するレーザ光源１０と、テラヘルツパルス光Ｔ１を発生するテラヘルツ光発生素子１７と、後に詳述するが、試料Ｓの物性情報を含むテラヘルツパルス光Ｔ２およびプローブ光としてのレーザパルス光Ｌ３が照射されるＺｎＴｅ結晶板２０と、ＺｎＴｅ結晶板２０上に形成される光画像を電気信号に変換するＣＣＤカメラ２７と、ＺｎＴｅ結晶板２０を移動させる移動機構３０と、制御・演算装置４０とを備える。また、テラヘルツイメージング装置１００は、レーザパルス光Ｌ３をＺｎＴｅ結晶板２０へ導く光路上に偏光子２５を、ＺｎＴｅ結晶板２０とＣＣＤカメラ２７との間の光路上に検光子２６を備える。

第１の実施の形態のテラヘルツイメージング装置１００では、制御・演算装置４０は、レーザ光源１０、ＣＣＤカメラ２７およびＺｎＴｅ結晶板２０を移動させる移動機構３０と電気的に接続されている。制御・演算装置４０は、レーザ光源１０によるレーザパルス光Ｌ２の放射タイミングや、テラヘルツパルス光Ｔ１を試料Ｓに照射する照射タイミングを制御する。なお、これらの放射タイミングや照射タイミングは、制御・演算装置４０から制御せず、レーザ光源１０のトリガー信号で制御しても構わない。制御・演算装置４０は、ＺｎＴｅ結晶板２０を透過したレーザパルス光Ｌ３の画像をＣＣＤカメラ２７で取得するタイミングを制御し、また、移動機構３０によるＺｎＴｅ結晶板２０上の結像領域の移動を制御する。なお、図示を省略しているが、可動鏡１４を駆動する駆動機構も制御・演算装置４０が制御し、可動鏡１４もレーザ光源１０，移動機構３０，ＣＣＤカメラ２７と同期をとってその移動位置が変更される。

ＺｎＴｅ結晶板２０の位置を設定して、テラヘルツパルス光Ｔ１の照射タイミングとＣＣＤカメラ２７の画像取得タイミングを同期させ、２つの結像領域において画像データを取得する。具体的には、可動鏡１４を所定の位置で固定し、テラヘルツパルス光Ｔ１を１パルス出射させ、その１パルスに同期させてＣＣＤカメラ２７を駆動してＺｎＴｅ結晶板２０上の光画像を蓄積する。この動作を、可動鏡１４をずらして所定回数繰り返し行うことにより、時系列２次元画像を得ることができる。なお、ＣＣＤ２７の感度などに起因してＳ／Ｎ比が悪い場合は、可動鏡１４を所定の位置で固定し、テラヘルツパルス光Ｔ１を複数パルス出射させ、その１パルス目でＣＣＤカメラ２７による蓄積を開始し、最終パ
ルス目で蓄積を終了すればよい。

レーザ光源１０から放射されたレーザパルス光Ｌ１は、反射鏡１１で反射され、ビームスプリッタ１２で２つのレーザパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。レーザ光源１０としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。レーザパルス光Ｌ１は、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ程度、繰り返し周期が１ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダー、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。

ビームスプリッタ１２で分割された一方のレーザパルス光Ｌ２は、反射鏡１３ａ，１３ｂを経て、ｘ方向に移動可能であって、２枚もしくは３枚の平面反射鏡からなる可動鏡１４へ入射する。レーザパルス光Ｌ２は、可動鏡１４の移動距離に応じて光路長が変えられ、光学系１５に入射する。

レーザパルス光Ｌ２は、光学系１５により所定ビーム径を有する平行光となり、反射鏡１６で反射されてテラヘルツ光発生素子１７へ入射する。テラヘルツ光発生素子１７としては、大口径光スイッチ素子（ＧａＡｓ基板）、ＺｎＴｅ結晶、ＧａＳｅ結晶などが使用される。テラヘルツ光発生素子１７は、０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数領域のテラヘルツパルス光Ｔ１を出射する。テラヘルツパルス光Ｔ１は、試料Ｓの２次元領域を透過し、試料Ｓの物性情報を含むテラヘルツパルス光Ｔ２となる。その物性情報は、以下に述べるように電場強度として検出される。

ビーム状のテラヘルツパルス光Ｔ２は、結像レンズ１８およびペリクルビームスプリッタ１９を介してＺｎＴｅ結晶板２０の表面に垂直入射し、結像する。結像領域は、ＺｎＴｅ結晶板２０表面の一部分であり、本実施の形態では、ＺｎＴｅ結晶板２０の表面上で結像領域を移動させるために、移動機構３０によりＺｎＴｅ結晶板２０をその表面と平行に移動させる。この移動は、並進移動であり、結像領域を移動させても像と結晶軸の方位関係は変わらない。

ＺｎＴｅ結晶板２０にテラヘルツパルス光Ｔ２が入射すると、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場によりＺｎＴｅ結晶板２０に複屈折変化が生じる。この現象は、ポッケルス効果により生じるものである。ＺｎＴｅ結晶板２０の結像領域にプローブ光を照射すると、プローブ光には、結像領域内の各部位の複屈折率に応じた偏光状態の変化が生じ、このプローブ光による像を検光子２６を介してＣＣＤカメラ２７で撮像することにより試料の画像が得られる。プローブ光は以下の光路でＺｎＴｅ結晶板２０に入射する。

ビームスプリッタ１２で分割された他方のレーザパルス光Ｌ３がプローブ光である。レーザパルス光Ｌ３は、反射鏡２１，２２，２３を順次経由してビームエキスパンダ２４でビーム径が拡張された後に、偏光子２５によりほぼ完全な直線偏光の光となり、ペリクルビームスプリッタ１９により反射されてＺｎＴｅ結晶板２０表面に入射する。このとき、レーザパルス光Ｌ３の入射領域は結像領域にほぼ一致している。

直線偏光光であるレーザパルス光Ｌ３は、ＺｎＴｅ結晶板２０を透過し、その透過光の偏光状態は、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場によるＺｎＴｅ結晶板２０の複屈折変化に応じて楕円偏光となる。すなわち、結像領域におけるテラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度分布は、直線偏光からのズレとしてＺｎＴｅ結晶板２０を通過したレーザパルス光Ｌ３が担っている。従って、ＺｎＴｅ結晶板２０の結像領域に入射するレーザパルス光Ｌ３の偏光方向と直角な偏光方向の光のみを透過するように検光子２６を配設し、検光子２６を通過した偏光成分の光を検出することにより、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度を測定することができる。そして、検光子２６を通過した偏光成分の光をＣＣＤカメラ２７で撮像することにより、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度分布を反映する画像を取得することができる。

このようにテラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度分布を反映する光は、ＣＣＤカメラ２７の撮像素子２７ａで電気信号に変換され、各画素からの電気信号は、Ａ／Ｄ変換された後に制御・演算装置４０に取り込まれる。すなわち、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度分布に応じた電気信号が制御・演算装置４０に入力され、２次元画像データとして記憶される。この画像データに基づいて、後述するようにして、試料の電気的特性や不純物濃度の分布等を表す２次元画像が生成される。

ここで、時系列テラヘルツイメージジング法による二次元画像の取得法について説明する。周知の時系列テラヘルツ光分光法と同様に、レーザパルス光Ｌ２の光路に配設される可動鏡１４を不図示の駆動機構によってｘ方向に移動させ、レーザパルス光Ｌ２の光路長を変化させる。この結果、レーザパルス光Ｌ２がテラヘルツ光発生素子１７へ到達する時間が遅延し、テラヘルツパルス光Ｔ１が発生するタイミングを遅らせることができる。遅延時間を少しづつ変更しながら、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度により複屈折変化が生じたＺｎＴｅ結晶板２０を通過したレーザパルス光Ｌ３の像を、検光子２６を介してＣＣＤカメラ２７で撮像し、時系列テラヘルツイメージングを行う。そして、後述するように、撮像素子２７ａの個々の画素毎に、これらの遅延時間毎に取得されたデータを継ぎ合わせて成る時系列波形データについてフーリエ変換を行い、１枚の画像分のデータを取得する。

次に、図２も参照して具体的な測定手順を説明する。図２を参照すると、ＺｎＴｅ結晶板２０上の結像領域Ａ１にテラヘルツパルス光Ｔ２による像が結像し、同時に結像領域Ａ１にレーザパルス光Ｌ３が入射している。先ずこの位置で、１回目のリファレンス測定とサンプル測定を行う。すなわち、試料Ｓを介さずにテラヘルツパルス光Ｔ２を直接に結像領域Ａ１に結像させてリファレンス画像データを取得する。次いで、試料Ｓを測定光路に挿入して１回目のサンプル画像データを取得する。１回目のリファレンス測定とサンプル測定では、上述したように、可動鏡１４を所定距離ずつずらしてそれぞれＮ枚の画像データを取得する。

次に、移動機構３０によりＺｎＴｅ結晶板２０をその表面と平行に、つまりＸ−Ｚ面に平行なＭ方向に並進移動させ、テラヘルツパルス光Ｔ２を結像領域Ａ１とは異なる結像領域Ａ２に結像させる。試料Ｓは、テラヘルツパルス光Ｔ１の光路上に挿入したまま動かさない。この位置で２回目のサンプル測定を行い、続いて試料Ｓをテラヘルツパルス光Ｔ１の光路から外して２回目のリファレンス測定を行う。この場合も、１回目と同様にそれぞれＮ枚の画像データを取得する。すなわち、１回目のリファレンス測定、１回目のサンプル測定、２回目のサンプル測定、２回目のリファレンス測定の順に測定する。このような手順で測定を行うと、試料Ｓ挿入時の位置的な誤差をなくすことができ、また、１回目と２回目のサンプル測定を続けて行うので、テラヘルツパルス光Ｔ１の強度の時間的変化による誤差も小さくすることができる。

１回目のサンプル測定により得られた結像領域Ａ１のＮ枚の画像データと２回目のサンプル測定により得られた結像領域Ａ２のＮ枚の画像データは、試料Ｓの同一領域の画像データである。従って、ＺｎＴｅ結晶板２０のテラヘルツ光検出感度が空間的に均一であれば、これら２つの画像は同じである。しかし、実際のＺｎＴｅ結晶板２０には、テラヘルツ光検出感度が低い、あるいは検出不能な欠陥部分が存在することがあり、この場合、この感度の悪い部分の影響を除去することが必要である。

そこで、制御・演算装置４０に記憶した結像領域Ａ１のＮ枚の画像データと結像領域Ａ
２のＮ枚の画像データの平均値演算を行う。以下詳細に説明する。

１回目のリファレンス測定では画像データＲＤ１_１〜ＲＤ１_Ｎが、２回目のリファレンス測定では画像データＲＤ２_１〜ＲＤ２_Ｎが、１回目のサンプル測定では画像データＳＤ１_１〜ＳＤ１_Ｎが、２回目のサンプル測定では画像データＳＤ２_１〜ＳＤ２_Ｎがそれぞれ順に取得される。これらＮ枚の画像データは所定時間毎に取得した画像データであり、各画素のＮ個の時系列波形データについてそれぞれフーリエ変換することにより、各画素毎の振幅強度スペクトルデータを得る。具体的には、Ｎ枚のリファレンス画像データＲＤ１_１〜ＲＤ１_ＮとＲＤ２_１〜ＲＤ２_Ｎに対して、各画素毎に上述したフーリエ変換を行い、２つのリファレンスデータの平均値ＲＤＡ_１〜ＲＤＡ_Ｎを算出する。同様に、Ｎ枚のサンプル画像データＳＤ１_１〜ＳＤ１_ＮとＳＤ２_１〜ＳＤ２_Ｎに対して、各画素毎に上述したフーリエ変換を行い、２つのサンプルデータの平均値ＳＤＡ_１〜ＳＤＡ_Ｎを算出する。さらに、各画素毎に、サンプルデータの平均値をリファレンスデータの平均値で除算し、各画素毎のサンプル画像データとリファレンス画像データとの比を試料Ｓの振幅強度スペクトルとし、その２次元画像データを生成する。２次元画像データから所定の理論式を用いて、試料Ｓの２次元画像を取得する。２次元画像データは制御・演算装置４０に記憶され、また、２次元画像は不図示のディスプレイに表示される。

第１の実施の形態のテラヘルツイメージング装置１００では、このような平均値演算により、ＺｎＴｅ結晶板２０に欠陥などがあっても適正な画像を得ることができる。例えば、結像領域Ａ１の画像中にＺｎＴｅ結晶板２０の欠陥部分に起因する点像が形成されたとしても、結像領域Ａ２の画像中でその点像に対応する位置（撮像素子２７ａ中の画素）に欠陥のない像が形成されれば、２つの画像を平均化することにより、ＺｎＴｅ結晶板２０の結晶欠陥に伴う不均一性が緩和された画像を取得できる。なお、結像領域Ａ１とＡ２とは、ＺｎＴｅ結晶板２０の表面上において、別の領域であってもよいし、部分的に重なり合っていてもよい。また、３つ以上の結像領域で光画像を撮像してもよい。

〈第２の実施の形態〉
図３は、本発明の第２の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置を説明する部分斜視図であり、図２に相当する図である。本実施の形態のテラヘルツイメージング装置２００も、図１および図２に示される第１の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置１００と基本的な構成は同様であるので、相違点を主として説明する。図３においても、図１，２と同じ構成部品には同一符号を付し、ＸＹＺ直交座標で方向を表わす。第２の実施の形態のテラヘルツイメージング装置２００は、ＺｎＴｅ結晶板２０を往復振動させながらＣＣＤ２７で２次元画像を取得するものである。

第２の実施の形態のテラヘルツイメージング装置２００では、制御・演算装置４０は、レーザ光源１０、ＣＣＤカメラ２７およびＺｎＴｅ結晶板２０を移動させる振動機構３１と電気的に接続されている。第１の実施の形態のテラヘルツイメージング装置１００と相違する点は、並進移動機構３０に代えて振動機構３１を使用する点である。この相違に伴い、レーザ光源１０から出射されるレーザパルス光Ｌ１によりテラヘルツパルス光Ｔ１とプローブ光Ｌ３が３０パルス出射される間、振動機構３１は、ＺｎＴｅ結晶板２０を振動させるとともに、ＣＣＤカメラ２７はその間、ＺｎＴｅ結晶板２０で変化した偏光成分の光を蓄積する。ＺｎＴｅ結晶板２０の振動により、結像領域Ａ４、Ａ５およびその中間を含む長円の範囲がテラヘルツパルス光Ｔ１とプローブ光Ｌ３が照射される領域となる。

具体的には、可動鏡１４を所定の位置で固定し、レーザ光Ｌ１によりテラヘルツパルス光Ｔ１とプローブ光Ｌ３を３０パルス出射させ、その間、ＣＣＤカメラ２７によりＺｎＴｅ結晶板２０と検光子２６を通過したプローブ光Ｌ３の光を蓄積する。この動作を、可動鏡１４の位置を少しずつずらして所定回数繰り返し行うことにより、時系列２次元画像データを取得する。

第２の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置２００でも、上述したようにリファレンス測定とサンプル測定をそれぞれ２回行い、１回目のリファレンス測定による画像データＲＤ１_１〜ＲＤ１_Ｎと、２回目のリファレンス測定による画像データＲＤ２_１〜ＲＤ２_Ｎと、１回目のサンプル測定による画像データＳＤ１_１〜ＳＤ１_Ｎと、２回目のサンプル測定による画像データＳＤ２_１〜ＳＤ２_Ｎとをそれぞれ順に取得する。なお、上述したとおり、第２の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置２００では、上記４回の測定の各々において、レーザパルス光Ｌ１を３０パルス発生させ、その間にＣＣＤ２７で画像を蓄積することにより１枚の画像データを取得する。そして、可動鏡１４の位置をＮ回変更してＮ枚の画像データを生成する。その後のデータ処理、すなわち、各画素毎のフーリエ変換、平均化により２次元画像データを生成する手法は第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態のテラヘルツイメージング装置２００も、第１の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置１００と同様の作用効果を奏する。本実施の形態では、テラヘルツパルス光Ｔ１とプローブ光Ｌ３を３０パルス出射している間、ＺｎＴｅ結晶板２０を振動させているので、結晶の不均一性に起因する画像の不均一性を除去することができる。従って、リファレンス測定とサンプル測定をそれぞれ２回行わずに、１回づつ行うだけでもよい。

〈第３の実施の形態〉
図４は、本発明の第３の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置を説明する部分斜視図であり、図２に相当する図である。本実施の形態のテラヘルツイメージング装置３００も、第１および２の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置１００，２００と基本的な構成は同様であるので、相違点を主として説明する。図４においても、図１〜３と同じ構成部品には同一符号を付し、ＸＹＺ直交座標で方向を表わす。

図４に示されるテラヘルツイメージング装置３００では、第１の実施の形態のテラヘルツイメージング装置１００の並進移動機構３０を回転機構３２に置き換えている。本実施の形態では、ＺｎＴｅ結晶板２０の回転軸Ｃがテラヘルツパルス光Ｔ２の光軸と平行であり、ＺｎＴｅ結晶板２０を回転機構３２により回転軸Ｃ廻りに回転（Ｒで示す）できる構成となっている。そして、テラヘルツイメージング装置３００では、結像領域Ａ６，Ａ７のそれぞれでリファレンス測定とサンプル測定を行い、第１および第２の実施の形態と同様に、各画素毎のフーリエ変換、平均化処理を行った上で２次元画像データを生成する。

結像領域Ａ６とＡ７について説明する。図示されるように、結像領域Ａ６にテラヘルツパルス光Ｔ２による像が結像し、同時にレーザパルス光Ｌ３が入射しているとき、ＺｎＴｅ結晶板２０の結晶軸の向きをＸ方向に平行とし、これを説明の便宜上、＋ｘ方向とする。この位置からＺｎＴｅ結晶板２０を１８０°回転させると、結像領域Ａ７がテラヘルツパルス光Ｔ２の光路に挿入され、この状態での結晶軸の向きは、−ｘ方向となる。実際には結晶軸の向きに＋方向と−ｘ方向の区別はないので、このような１８０°回転の場合は、ＺｎＴｅ結晶板２０上の結像領域が変わっただけで、検出感度などの作用は同等である。すなわち、結像領域Ａ６でもＡ７でも所定強度以上の画像信号を取得することができる。

なお、結像領域Ａ６とＡ７は、ＺｎＴｅ結晶板２０の表面上において、別の領域であってもよいし、部分的に重なり合っていてもよい。また、電気光学結晶の種類によっては、結晶軸の方位以外にテラヘルツ光に対する検出感度が良好な方位をもつものがある。その方位が例えば結晶軸と角度θ°であるとすると、電気光学結晶をｘ方向からθ°回転させた回転位置に設定して、測定を行ってもよい。上記のようにＺｎＴｅ結晶板２０を使用する場合は、結像領域Ａ７はＡ６に対して１８０度の回転角度位相を有しているが、使用する電気光学結晶の特性に応じて、結像領域Ａ６とＡ７との回転角度位相を決定すればよい。つまり、所定強度以上の透過像または反射像が形成される角度であれば、０度と１８０度に限定されない。

本実施の形態のテラヘルツイメージング装置３００も、第１および第２の実施の形態によるテラヘルツイメージング装置１００，２００と同様の作用効果を奏する。

本実施の形態では、結像領域Ａ６とＡ７の２箇所へＺｎＴｅ結晶板２０をステップ的に回転移動させて測定するものであったが、図６に示すように、揺動軸Ｄの廻りにＺｎＴｅ結晶板２０を揺動させながら測定することもできる。すなわち、揺動軸Ｄの廻りにＺｎＴｅ結晶板２０を揺動させて結像領域をＡ８〜Ａ９の間で連続的に変更する。そして、第２の実施の形態と同様に、ＺｎＴｅ結晶板２０を揺動させながら、テラヘルツパルス光Ｔ１とプローブ光Ｌ３を３０パルス出射する間にＣＣＤカメラ２７で画像を蓄積して画像データを取得する。その後の画像データ処理などは第２の実施の形態と同様である。

以上説明したように、本発明のテラヘルツイメージング装置は、電気光学結晶にテラヘルツ光検出感度が低い部分などが存在していても、電気光学結晶を移動させる、つまり電気光学結晶上の結像領域を変えることにより、試料Ｓの特性を反映する画像（試料像）を得ることに特徴がある。例えば、第１〜第３の実施の形態では、透過型のテラヘルツイメージング装置について説明したが、反射型のテラヘルツイメージング装置にも本発明を適用できる。反射型のテラヘルツイメージング装置によるリファレンス測定は、予め反射特性が判明している基準物体を試料挿入位置に設置して行う。また、並進移動や回転移動による像形成領域のステップ的な位置変更および位置決めと、直進運動や揺動運動により像形成領域の連続的な移動、すなわち振動とを例示したが、その他の運動により、電気光学結晶板上での像形成領域を変更させてもよい。さらに、ＺｎＴｅ結晶板２０を移動させる代わりに、テラヘルツパルス光Ｔ２を移動させてＺｎＴｅ結晶板２０上での結像位置を変更してもよい。

特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係を説明する。レーザ光源１０，テラヘルツ光発生素子１７などがテラヘルツ光照射手段に、レーザパルス光Ｌ３の光路にあるビームスプリッタ１２からペリクルビームスプリッタ１９までがプローブ光照射手段に、ＺｎＴｅ結晶板２０が電気光学結晶に、ＣＣＤ２７が撮像手段に、並進移動機構３０，振動機構３１，回転機構３２が移動機構にそれぞれ対応する。また、結像領域Ａ６および結像領域Ａ７に結像する時のＺｎＴｅ結晶板２０の位置が、電気光学結晶の結晶軸に基づいて所定以上の強度を有する位置である。

本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツイメージング装置を模式的に示す全体構成図である。図１のテラヘルツイメージング装置の要部を概略的に示す部分斜視図である。本発明の第２の実施の形態に係るテラヘルツイメージング装置の要部を概略的に示す部分斜視図である。本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツイメージング装置の要部を概略的に示す部分斜視図である。本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツイメージング装置の変形例である。

符号の説明

１０：レーザ光源
１７：テラヘルツ光発生素子
１９：ペリクルビームスプリッタ
２０：ＺｎＴｅ結晶板
２５：偏光子
２６：検光子
２７：ＣＣＤカメラ
３０：移動機構
３１：振動機構
３２：回転機構
４０：制御・演算装置
１００，２００，３００：テラヘルツイメージング装置
Ａ１，Ａ２，Ａ４〜Ａ９：結像領域
Ｌ１〜Ｌ３：レーザパルス光
Ｔ１，Ｔ２：テラヘルツパルス光
Ｓ：試料

Claims

テラヘルツ光を試料へ照射するテラヘルツ光照射手段と、
前記試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される電気光学結晶と、
前記電気光学結晶を移動させる移動機構と、
前記電気光学結晶の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域にプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記電気光学結晶から射出されるプローブ光を撮像する撮像手段と、
前記移動機構により、前記電気光学結晶上の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域を変え、その異なる領域を用いて撮像された前記プローブ光の複数の画像から前記試料の透過テラヘルツ画像または反射テラヘルツ画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
テラヘルツ光を試料へ照射するテラヘルツ光照射手段と、
前記試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される電気光学結晶と、
前記電気光学結晶を移動させる移動機構と、
前記電気光学結晶の透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される領域にプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記移動機構により移動中の電気光学結晶から射出されるプローブ光を所定時間蓄積して撮像する撮像手段とを備えることを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項１または２に記載のテラヘルツイメージング装置において、
レーザ光源からのレーザ光を前記テラヘルツ光照射手段へ導く光と前記プローブ光照射手段へ導く光とに分岐する分岐光学素子を有することを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のテラヘルツイメージング装置において、
前記移動機構は、前記電気光学結晶を前記透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行に並進移動させることを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のテラヘルツイメージング装置において、
前記移動機構は、前記電気光学結晶を前記透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行に所定の振動数と振幅で振動させることを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のテラヘルツイメージング装置において、
前記移動機構は、前記電気光学結晶を前記透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が照射される面と平行な面内で回転移動させることを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項６に記載のテラヘルツイメージング装置において、
前記撮像手段は、前記電気光学結晶の結晶軸に基づいて所定強度以上の前記プローブ光が撮像されるように決定された位置で、撮像することを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
請求項６に記載のテラヘルツイメージング装置において、
前記移動機構は、前記電気光学結晶を回転揺動させ、
前記撮像手段は、前記回転揺動する電気光学結晶からの前記プローブ光を所定時間蓄積して撮像することを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
テラヘルツパルス光を試料へ照射する工程と、
前記試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像される電気光学結晶上の領域へプローブ光を照射する工程と、
前記電気光学結晶上の前記透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像する領域を移動する移動工程と、
前記移動工程により移動された前記電気光学結晶の異なる領域からの前記プローブ光を２次元的に撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した異なる領域からの複数の画像から前記試料のテラヘルツ画像を生成する画像生成工程とを有することを特徴とするテラヘルツイメージング方法。
テラヘルツパルス光を試料へ照射する工程と、
前記試料から発する透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像される電気光学結晶上の領域へプローブ光を照射する工程と、
前記電気光学結晶上の前記透過テラヘルツ光または反射テラヘルツ光が結像する領域を移動する移動工程と、
前記移動工程により移動中の前記電気光学結晶からの前記プローブ光を２次元的に撮像する撮像工程とを有することを特徴とするテラヘルツイメージング方法。